POSTAVENÍ POLAROGRAFIE A VOLTAMETRIE NA RTUŤOVÝCH KAPKOVÝCH ELEKTRODÁCH V MODERNÍ ANALYTICKÉ CHEMII

Transkript

1 Chem. Listy 91, (1997) POSTAVENÍ POLAROGRAFIE A VOLTAMETRIE NA RTUŤOVÝCH KAPKOVÝCH ELEKTRODÁCH V MODERNÍ ANALYTICKÉ CHEMII JIŘÍ BÁREK mi technikami. Právě v této době však vznikají průkopnické práce Barkera v Anglii 3 a Osteryounga a Parryho 4 v USA, UNESCO laboratoř elektrochemie životního prostředí, které položili základ tzv. renesanci polarografické analýzy" katedra analytické chemie, Přírodovědecká fakulta, Kar- v sedmdesátých a osmdesátých letech 5. V následujícím oblova univerzita, Albertov 2030, Praha 2, dobí vznikají další tisíce prací věnovaných využití moder- Barek@prfdec.natur.cuni.cz nich polarografických a voltametrických metod (normální a diferenční pulsní polarografie či voltametrie, anodická Tento článek je věnován 75. výročí objevu polarografie. rozpouštěcí voltametrie, adsorpční rozpouštěcí voltametrie, atp.) ke stopové analýze anorganických i organických Došlo dněl 8.IX látek. Pulsní techniky, jejichž čtyřicátému výročí byl věnován článek 6, přitom umožňovaly stanovení až do koncentrací 10" 7 mol.i" 1, techniky s předběžným nahromaděním Obsah stanovované látky na povrchu pracovní elektrody až do koncentrací 10" 10 či 10" 12 mol. I" 1. Klasická rtuťová kapková 1. Úvod elektroda byla v analytických laboratořích postupně nahra- 2. Výhody a nevýhody polarografie zována statickou či visící rtuťovou kapkovou elektrodou 3. Volba vhodné metody a klasická DC polarografie jejími modernějšími varian- 4. Závěr tami, které lépe splňují požadavky na co nejnižší mez stanovitelnosti (viz obr. 1). Zejména anodická rozpouštěcí voltametrie 7 a adsorpční rozpouštěcí voltametrie 8 přinesly 1. Uvod podstatné zvýšení citlivosti a byly výrazným impulsem k dalšímu zvýšení vědeckovýzkumné a publikační aktivity. Když před 75 lety vyšel v našem časopise článek Jaro- Osmdesátá léta bývají proto označována za dekádu zralosti sláva Heyrovského nazvaný Elektrolysa se rtuťovou kapko- polarografické analýzy v jejích moderních formách 9. Celý voukathodou 1, jistě nikdo netušil, že se otevřela nová, mimo- tento vývoj je dokumentován i řadou přehledných referátů řádně významná kapitola moderní analytické chemie. Bou- otištěných v našem časopise (viz např. 10 " 13 ) a věnovaných řlivý rozvoj polarografie, jenž nastal zejména po sestrojení teoretickým základům i praktickým aplikacím moderních prvního polarografu 2, který patřil k vůbec prvním ana- polarografických metod. Podrobný popis těchto metod lze lytickým přístrojům s automatickou registrací měřené závis- najít v českých 14 " 17 i anglických 18 " 21 monografiích. Cílem losti, vyvrcholil 26. října 1959, kdy se Švédská akademie tohoto článku je spíše krátké zamyšlení nad tím, jakou roli věd rozhodla udělit profesoru Heyrovskému za metodu může sehrát polarografie a její moderní varianty v dnešních polarografické analýzy Nobelovu cenu. Tisíce prací vzniklých analytických laboratořích, kde je vystavena obrovské konv tomto období zajistili polarografii trvalé místo v instru- kurenci širokého spektra moderních spektrometrických mentální analytické chemii. Ve čtyřicátých a padesátých a separačních metod. Přestože polarografie je podle deletech patřila polarografie k nejcitlivějším analytickým me- finice varianta voltametrie, při níž se používá klasická todám, široce používaným ke stanovení velkého množství rtuťová kapková elektroda s obnovovaným povrchem jako anorganických i organických látek v koncentračním rozme- pracovní elektroda, budeme v tomto článku věnovat pozorzí 10" 3-10" 5 mol.l" 1. V šedesátých letech však význam nost všem voltametrickým technikám používajícím rtuťoklasické polarografie jako analytické metody poklesl, neboť vou kapkovou elektrodu, ať už klasickou, statickou nebo její citlivost a selektivita přestaly vyhovovat neustále ros- visící. Při následujících úvahách vycházíme ze skutečnosti, toucím požadavkům praxe, z níž bylifpostupně vytlačena že v současné době existuje celá řada komerčně dostupnově vznikajícími spektrometrickými a chromatografický- ných, poměrně levných (od Kč) počítačem řízených 1038

2 Obr. 1. Rozsah použitelnosti různých analytických technik a koncentrační rozmezí sledovaná v různých oblastech chemické analýzy přístrojů se spolehlivou statickou či visící rtuťovou kapkovou elektrodou. Ze zahraničních výrobců moderní polarografické instrumentace lze jmenovat Amel (Milano, Itálie), Bioanalytical Sytems (West Lafayette, USA), Eco Chemie (Utrecht, Holandsko), EG&G PAR (Princeton, USA), Metrohm (Herisau, Švýcarsko) a Radiometer (Kodaň, Dánsko). (Posledně jmenovaná firma se spojila se známým francouzským výrobcem polarografů Tacussel.) Tradici výroby české polarografické instrumentace úspěšně převzala firma Polarosensors, Praha. 2. Výhody a nevýhody polarografie Při volbě optimální analytické metody se vychází jednak z požadovaných analytických parametrů (citlivost, mez stanovitelnosti, selektivita, správnost a reprodukovatelnost, atp.) a jednak z praktických charakteristik (rychlost, cena, atp.). Podíváme-li se z těchto hledisek na moderní polarografické metody můžeme za jejich hlavní výhody považovat: A. Možnost stanovení širokého spektra anorganických, organických i organokovových sloučenin v neobyčejně širokém koncentračním rozmezí 10~ 3 IO" 12 mol.l" 1 pomocí jediného přístroje, přičemž pořizovací i provozní náklady jsou podstatně nižší nežli u spektrometrických či chromatografických metod se srovnatelnými parametry, jejichž pole působnosti je navíc ve většině případů podstatně užší, jak co se týče koncentračního rozmezí tak i spektra stanovovaných látek. B. V řadě případů je možné jedinou analýzou stanovit více anorganických či organických sloučenin, pokud se jejich půlvlnové potenciály či potenciály píku dostatečně liší. C. Lze stanovit nejen celkové množství prvků, ale i jeho speciaci (chemickou či redox), tj. v jaké formě je tento prvek ve zkoumaném vzorku přítomen, což je mimořádně důležité z hlediska jeho biologické dostupnosti či toxických nebo ekotoxických účinků. Jako příklad chemické speciace lze uvést určení labilních a inertních frakcí komplexů Cu, Pb, Cd Zn, Mn, Cr, TI, Sb či Bi. Podobně lze snadno získat informaci o redox speciaci, např. o poměru Fe(III)/Fe (II), Cr(VI)/Cr(III), T1(III)/T1(I), Sn(IV)/Sn(II), Mn(IV)/Mn(II), Sb(V)/Sb(III), As(V)/As(III), Se(VI)/Se(IV), V(V)/V(IV) nebo U(VI)/U(IV), kterou nám např. atomová absorpční spektrometrie poskytnout nemůže. D. Z teoretického hlediska je významné, že u polarografických a voltametrických metod je to přímo molekula analytu, která přijímá či odevzdává elektron a je tudíž bezprostředním zdrojem elektrického proudu jakožto měřeného signálu. (U spektrometrických metod se zpravidla jedná o zprostředkovaný proces, při němž dochází k perturbaci molekuly analytu, která má za následek emisi či absorpci záření, které je teprve sekundárně vhodným systémem převáděno na měřený elektrický signál.) E. Moderní polarografická či voltametrická instrumentace značně zvyšuje rychlost stanovení a nabízí možnost jeho automatizace. Dnes běžně dostupné visící rtuťové kapkové elektrody výrazně snižují spotřebu rtuti a omezují nutnost manipulace s větším množstvím tohoto toxického kovu. F. V neposlední řadě je nutno připomenout, že polarografie či voltametrie představují v řadě případů nezávislou alternativu pro stanovení extrémně nízkých koncentrací řady anorganických i organických analytu, která často může úspěšně doplnit informace získané moderními spektrometrickými či separačními metodami. Tato skutečnost nabývá na významu v souvislosti se stále častějšími legis- 1039

3 Obr. 2. Prvky stanovitelné různými polarograťickými a voltametrickými technikami (prvky stanovitelné klasickou polarografií jsou uvedeny v rámečku, anodickou rozpouštěcí voltametrií v dvojitém rámečku a adsorpční rozpouštěcí voltametrií podtržené) lativními požadavky na analýzu vzorků dvěma nezávislými vovat i stopová množství kovů. Desítky prací věnovaných technikami. použití adsorpční rozpouštěcí voltametrie ke stopové a ul- Mezi hlavní nevýhody patří z analytického hlediska trastopové analýze kovů jsou shrnuty v přehledném renásledující skutečnosti: ferátu 22, kde je uveden jak přesný přehled 50 kovů pro něž a. Polarografické a voltametrické metody pochopitelně bylo dosud popsáno stanovení touto technikou, tak i vínedosahují a nikdy nebudou dosahovat selektivity moder- ce než 30 ligandů, které lze k těmto účelům použít, nich separačních metod. Proto nejsou a nikdy nebudou Mez stanovitelnosti se přitom pohybuje od 10" 8 do 10" vhodné pro analýzu mnohasložkových směsí. K těmto úče- mol.i" 1, v případě využití katalytických reakcí dokonce až lům však lze v řadě případů s úspěchem využít kombinace do 10' 12 mol.i" 1. mimořádné dělící účinnosti moderních chromatografických //. Stopová analýza anorganických či organických polutechnik s extrémně nízkou mezí stanovitelnosti polaro- tantů v pitné vodě. Zde je třeba si uvědomit, že moderní grafických či voltametrických technik, jakou představuje polarografické či voltametrické metody nám ve spojení např. vysokoúčinná kapalinová chromatografie s elektro- s metodou standardního přídavku rychle a levně poskytnou chemickou detekcí. Omezenou selektivitu lze v některých zejména informaci, že sledovaná škodlivá látka není ve případech částečně kompenzovat i kombinací moderních zkoumaném vzorku přítomna, což je většinou z hlediska polarografických či voltametrických technik s předběžnou zadavatele postačující odpověď. Přitom mez stanovitelnosti separací stanovované látky extrakcí, tenkovrstvou chromá- je ve většině případů více než dostatečná i z hlediska tografií nebo extrakcí tuhou fází. případných toxických účinků těchto látek. Stanovení polub. Polarografické a voltametrické techniky, na rozdíl od tantů v povrchových či odpadních vodách vyžaduje zprařady zejména spektrometrických technik, zpravidla nelze vidla účinnou předběžnou separaci, avšak i v těchto přípasnadno použít bez důkladné znalosti procesů, na nichž je dech bývá stanovení jedné konkrétní látky i v poměrně stanovení založeno, což klade zvýšené požadavky na pra- složité matrici snadno proveditelné. Naproti tomu existence covníky analytických laboratoří. Další využívání těchto vlny či píku v odpovídající oblasti potenciálu nemusí být - technik v praxi bude tudíž vyžadovat i dobrou přípravu vzhledem k řadě možných koincidencí - vždy jednoznačanalytických chemiků, ať už středoškolských či vysoko- ným důkazem přítomnosti hledané látky. školských, v této oblasti. ///. Stanovení léčiv či jejich metabolitů. Zatímco klasická Vzhledem k výše uvedeným skutečnostem by moderní polarografie je svou citlivostí omezena v podstatě na anapolarografické a voltametrické metody neměly být chápány lýzu farmaceutických preparátů, kterou lze ve většině příjako konkurent dnes převládajících metod separačních pádů provést i poměrně jednoduchými spektrometrickými a spektrometrických ale spíše jako jejich - zvláště v urči- či chromatografickými metodami, její moderní modifikace tých vymezených oblastech - velmi užitečný doplněk. Me- jsou použitelné i ke stanovení stopových množství léčiv či zi tyto vymezené oblasti lze nepochybně zařadit: jejich metabolitů v tělních tekutinách 23 " 26. Opět zde platí, /. Stopová analýza vybraných kovů v pitné, povrchové že pro stanovení jedné konkrétní látky (ať už výchozího či mořské vodě. Moderní polarografické a voltametrické léčiva či jeho metabolitů) lze často najít vhodnou kombimetody jsou použitelné ke stanovení většiny prvků pe- naci poměrně jednoduché předběžné separace (extrakce, riodického systému (viz obr. 2). Zvláště pitná a mořská tenkovrstvá chromatografie, extrakce tuhou fází) s dostavoda představují vhodnou matrici, v níž lze snadno stáno- tečně citlivým polarografickým či voltametrickým stano- 1040

4 vením (nejčastěji diferenční pulsní polarografií či adsorpční rozpouštěcí voltametrií), umožňující stanovení jejich submikromolárních koncentrací i v tak složité matrici jakou je moč, krev či krevní plazma 27. IV. Stanovení pesticidů a regulátorů rostlinného či živočišného růstu. Moderní polarografické a voltametrické metody lze použít ke stanovení stop těchto látek jak ve vzorcích životního prostředí, které je jimi stále více kontaminováno, tak i v potravinách, nápojích, krmivech, atp. 13. V. Stanovení stopových množství anorganických i organických polutantů v různých složkách životního prostředí. Ve vybraných případech, uvedených např. v přehledném referátu 28, představují moderní polarografické a voltametrické metody životaschopnou a užitečnou alternativu k dražším a často i časově náročnějším spektrometrickým či chromatografickým metodám. VI. Stanovení stopových množství řady průmyslově významných organických látek (např. barviv a barvářských meziproduktů 29 " 3 ', povrchově aktivních látek 32, výbušnin, agrochemikálií, momomerů a polymerů, atp.). Rovněž v této oblasti existuje řada konkrétních případů, kdy moderní polarografické metody mohou obstát i vedle metod spektrometrických a chromatografických. Všechny výše uvedené příklady se vztahují na stanovení polarograficky aktivních látek. Přestože je popsána řada derivatizačních postupů, umožňujících zavedení polarograficky aktivní funkční skupiny do molekuly polarograficky inaktivní látky, derivatizace zpravidla snižuje citlivost a zvyšuje pracnost stanovení natolik, že je jen omezená naděje na jeho praktické používání. Další podrobnější úvahy obhajující praktickou použitelnost polarografie a voltametrie v moderních analytických laboratořích lze nalézt v článcích 33 ' Volba vhodné metody Při volbě optimální polarografické či voltametrické metody pro řešení daného analytického problému si musíme zvolit: i. Vhodnou pracovní elektrodu. Při práci se složitějšími matricemi, kde hrozí zvýšené nebezpečí pasivace jsou vhodnější elektrody s obnovovaným povrchem (klasická rtuťová kapková elektroda či statická rtuťová kapková elektroda). Naproti tomu při potřebě co nejvyšší citlivosti a nutnosti předběžné akumulace analytu na povrchu pracovní elektrody je nutné pracovat s rtuťovou filmovou elektrodu či visící rtuťovou kapkovou elektrodou. ii. Vhodnou techniku. Pro přímá stanovení do koncentrací řádově 10' 7 mol.i" 1 se dnes nejčastěji používá diferenční pulsní polarografie, pro nižší koncentrace anodická rozpouštěcí voltametrie či adsorpční rozpouštěcí voltametrie. iii. Vhodné prostředí a podmínky. Tisíce návodů na polarografické či voltametrické stanovení všech výše zmíněných typů látek lze najít bohaté řadě monografií, přehledných referátů i původních prací, z nichž jen nepatrný zlomek je citován v tomto článku. Za připomenutí stojí i řada firemních manuálů. iv. Vhodné podmínky- pro předběžnou úpravu vzorku. Předběžná separace či prekoncentrace stanovované látky je ve většině případů nezbytná. Je však nutno si uvědomit, že podobná předběžná příprava je zpravidla nutná i u spektrometrických či separačních metod. v. Vhodný způsob vyhodnocování výšky vlny či píku, konstrukce kalibrační závislosti, atp. Rozhodně lze konstatovat, že k dnešnímu dni ve světové odborné literatuře existuje dostatek informací umožňující tato optimální rozhodnutí pro stanovení obrovského množství analytů a tím i možnost širokého používání moderních polarografických metod. Skutečnost, že frekvence používání těchto technik v moderní analytické laboratoři neodpovídá ani zdaleka jejich reálným možnostem a přednostem, by měla být motivací k účinnější propagaci těchto metod jak pro výrobce příslušné instrumentace, tak i pro ty vědeckovýzkumné pracovníky, pro které se polarografie během uplynulých 75 let stala osudem. 4. Závěr Lze předpokládat, že další vývoj využití moderních polarografických a voltametrických technik v chemické analýze se bude odehrávat zejména v následujících oblastech: V o b l a s t i e l e k t r o d, které jsou rozhodující pro spolehlivost i citlivost polarografického stanovení, bude pokračovat vývoj spolehlivých statických i visících rtuťových elektrod, mini- a mikroelektrod s cílem zvýšit jejich spolehlivost a omezit spotřebu toxické rtuti. Pozornost bude jistě věnována i chemické modifikaci rtuťových elektrod vedoucí k vyšší citlivosti i selektivitě. V o b l a s t i p ř í s t r o j o v é budou zkoumány nové formy potenciálového programu a zpracování proudové odezvy s cílem zvýšit citlivost, reprodukovatelnost a selektivitu těchto metod a snížit pořizovací a provozní náklady. Základním trendem v této oblasti bude bezesporu řízení polarografického experimentu a zpracování jeho výsledků 1041

5 osobním počítačem, přičemž důraz bude kladen na uži- 14. Kalvoda R.,VolkeJ., v knize: Nové směry v analytické vatelskou přátelskost" používaného přístrojového i progra- chemii (Zýka 1, ed.), sv. I, str. 35. SNTL, Praha mového vybavení a na další možnosti automatizace vlast- 15. Stulík K., Stulíková M., v knize: Nové směry ního měření i vyhodnocování výsledků. v analytické chemii (Zýka J., ed.), sv. II, str. 39. SNTL, V oblasti předběžné úpravy vzorku Praha bude věnována pozornost kombinaci moderních polaro- 16. Kalvoda R., v knize: Nové směry v analytické chemii grafických a voltametrických metod s extrakcí, tenkovrs- (Zýka J., ed.), sv. IV, str. 89. SNTL, Praha tvou chromatografií, extrakcí tuhou fází, průtokovou in- 17. Bárek J., v knize: Nové směry v analytické chemii jekční analýzou, vysokoúčinnou kapalinovou chromá- (Zýka J., ed.), sv. V, str. 38. SNTL, Praha tografií, mikrodialýzou, atp., s cílem zvýšit selektivitu 18. Bond A. M.: Modem Polarographic Methods in stnovení. Analytical Chemistry. Dekker, New York V oblasti elektrodových reakcí bude 19. Smyth M., Vos J.: Analytical Voltammetry. Elsevier, pokračovat studium mechanismů polarografické redukce, Amsterdam využití nevodných a smíšených prostředí, předběžné deri- 20. Wang J.: Analytical Electrochemistry. VCH vatizace anorganických i organických analytů. Pozornost Publishers, New York bude nepochybně věnována i kombinaci biologických 21. Kalvoda R., v knize: Instrumentation in Analytical a elektroanalytických přístupů (např. voltametrická imu- Chemistry (ZýkaJ.,ed.), sv. 2., str. 54. Ellis Horwood, noanalýza atp.). Chichester Přestože nelze předpokládat, že polarografie se vrátí na 22. Paneli M. G., Voulgaropoulos A.: Electroanalysis 5, výsluní přízně analytických chemiků, které se těšila v ob- 355 (1993). dobí jejího vrcholného rozmachu, existuje nepochybně řa- 23. Volke J.: Bioelectroche. Bioenerg. 10,1 (1983). da analytických problémů, které lze pomocí polarografie 24. SmythW.F.:CRCCrit.Rev. Anal.Chem. 18,155(1987). a jejích moderních variant často řešit snáze, levněji či ry- 25. Patriarche G. J., Vire J. C: Anal. Chim. Acta 196,193 chleji nežli pomocí dnes převládajících metod spektromet- (1987). rických či chromatografických. 26. Bersier P. M.: J. Pharm. Biomed. Anal. 1, 475 (1983). 27. FoggA. G.: Anal. Proč. 1981, 387. Autor děkuje za finanční podporu Grantové agentuře 28. Bersier P.: Chem. Listy 89, 742 (1995). Univerzity Karlovy (grant 185/97/B-CH/PřF). 29. Bersier P. ML, Bersier J.: CRC Crit. Rev. Anal. Chem. 16, 15(1985). LITERATURA 30. Bersier P. M., Bersier J.: CRC Crit. Rev. Anal. Chem. 76,82(1985). 1. HeyrovskýJ.:Chem. Listy 16, 256(1922). 31. Bersier P. M., Bersier J.: Tr. Anal. Chem. 5, HeyrovskýJ.,ShikataM.:Rec.Trav.Chim.^,496(1925). (1986). 3. Barker G. C, Gardner A. W.: Fresenius Z. Anal. 32. Lukaszewski Z.: Electroanalysis 5, 375 (1993). Chem. 173, 79 (1960). 33. Bersier P.: Anal. Proč. 24, 44 (1987). 4. ParryE.P.,OsteryoungR.A.:Anal.Chem.37,1634(1965). 34. Bersier P. M Bersier J.: Analyst 114, 1531 (1989). 5. Flato J. B.: Anal. Chem. 44, 75A (1972). 6. Barker G. C, Gardner A. W.: Analyst 117, 1811 (1992). 7. Vydra F., Stulík K., Maková E.: Rozpouštěcí J. Bárek (UNESCO Laboratory of Environmental polarografie a voltametrie. SNTL, Praha Electrochemistry, Department of Analytical Chemistry, 8. Kalvoda R., Kopanica M: Pure Appl. Chem. 61, 97 Faculty of Science, Charles University, Prague): Position (1989). of Polarography and Voltammetry on Mercury Drop 9. Bond A. M.: Modern Polarographic Methods in Electrodes in Modern Analytical Chemistry Analytical Chemistry. Dekker, New York Kalvoda R.: Chem. Listy 72, 337 (1977). The scope and limitations of polarographic and 11. Kalvoda R., Kuta J.: Chem. Listy 74, 614 (1980). voltammetric techniques and their advantages and 12. Bárek J., Civišová D.: Chem. Listy 79, 785 (1985). disadvantages in comparison to modern spectrometric and 13. Skopalová J., KotoučekM.: Chem.Listy 89,270(1995). chromatographic techniques are discussed. 1042